与葡聚糖蛋白相关的土壤蛋白通过调节土壤有机质和微生物群，增强了多环芳烃（PAH）在土壤中的自然衰减能力

《Journal of Environmental Management》：Glomalin related soil protein enhances the capacity of PAH natural attenuation in soils through modulation of soil organic matter and microbiota

古菌相关土壤蛋白（GRSP）通过改变有机质组成和促进降解相关微生物及基因的表达显著提升多环芳烃（PAHs）自然降解效率，其机制涉及表面活性剂特性与污染物吸附/解吸平衡的调控。

　　

Xian Zhou|Pengfei Li|Yin Cao|Lei Tang|JunChao Ma|Jian Wang|Wanting Ling

南京农业大学资源与环境科学学院有机污染物控制与土壤修复研究所，中国南京 210095

摘要

多环芳烃（PAHs）对土壤的污染仍然是一个普遍存在的问题。丛枝菌根真菌分泌的与葡聚糖相关的土壤蛋白（GRSP）是一种重要的土壤有机成分，对土壤碳封存有积极作用。尽管人们已经认识到它对无机污染物命运的影响，但GRSP在土壤中调节PAHs的具体机制仍不甚清楚。因此，本研究通过微宇宙实验，结合连续的土壤有机质（SOM）分级和高通量测序技术，探讨了GRSP如何增强受污染土壤中PAHs的自然衰减过程。研究结果表明，GRSP显著促进了PAHs的衰减，其中菲和芘的去除率分别增加了0.09%–1.03%和1.66%–73.40%。GRSP的添加直接和间接地增加了关键SOM成分（如腐殖酸、富里酸和溶解有机质）的含量，从而改变了土壤中PAHs的分布。同时，高通量测序和功能基因预测分析进一步揭示，GRSP富集了能够降解PAHs的本土细菌（如Massilia、Gemmatimonas和Mycobacterium），并增加了相关功能基因（如< />、phe）的拷贝数，最终通过原儿茶酸途径促进了PAHs的去除。这些发现阐明了GRSP在PAHs修复中的辅助作用，并提出了一种通过调控GRSP水平或丛枝菌根真菌活性来增强土壤自我修复能力的新策略。

引言

多环芳烃（PAHs）在各种环境介质中普遍存在且浓度较高（Singh等人，2022年；Akinpelumi等人，2023年），由于其致癌和致突变潜力，它们引起了全球越来越多的关注，对生态系统和人类健康构成了严重威胁（Guo等人，2022年）。作为PAHs的主要储存库，由于PAHs的疏水性和化学稳定性，土壤能够长期保留这些污染物。这种长期滞留通过植物吸收和食物链积累，持续对生态系统和人类健康构成风险（Dickin等人，2016年；Wang等人，2019年）。

土壤中PAHs的环境归趋性和生物可利用性主要由土壤有机质（SOM）和本土微生物群落决定（Ukalska-Jaruga等人，2018年；Yang等人，2011年）。PAHs的生物可利用性取决于它们与特定SOM成分（如黑碳、腐殖质和富里酸）的相互作用强度，这些成分的结合能力差异很大（Smith等人，2009年；Ukalska-Jaruga等人，2018年）。同时，SOM组成的变化对土壤中降解PAHs的微生物（如Arthrobacter、Rhodococcus和Mycobacterium等属）的活性有显著影响（Muangchinda等人，2017年；Li等人，2022年）。例如，溶解有机质直接调节相关细菌群落的丰度和功能（Tang等人，2024年）。这些联系共同展示了SOM、微生物生态学和污染物降解之间的复杂网络。值得注意的是，植物-土壤-微生物相互作用不断将生物活性物质（如根系分泌物和胞外聚合物）引入土壤，这可以重塑SOM组成，刺激降解污染物的微生物（Liao等人，2021年；Chari和Taylor，2022年；Zhu等人，2023年），并改变土壤污染物的命运。

丛枝菌根真菌（AMF）是土壤微生物群落的关键成员，与大多数陆地植物形成共生关系。通过其菌丝和分泌的各种化合物（如有机酸和酶），AMF积极参与污染物的转化（Coban等人，2022年；Genre等人，2020年；Duan等人，2024年；Zhang等人，2022年）。然而，与植物根系分泌物介导的机制相比，AMF分泌的化合物在降解过程中的作用尚不明确。由AMF菌丝产生的与葡聚糖相关的土壤蛋白（GRSP）具有疏水性、抗性及粘附性。GRSP在土壤中的积累量不一，通常只占土壤有机质的一小部分。但在某些情况下，GRSP可占土壤碳库的约25%，其贡献可能超过腐殖质（Rillig等人，2006年）。重要的是，GRSP的功能重要性不仅体现在其数量上。由于其独特的表面活性特性、在团聚体稳定中的作用以及生物可利用性，GRSP能够显著影响与污染物命运相关的土壤过程（Tian等人，2021年；Zhou等人，2023b）。我们之前的研究表明，GRSP会影响土壤和植物根系中PAHs的吸附和脱附（Chen等人，2018年；Gao等人，2017年）。然而，GRSP对微生物降解过程的影响，尤其是其与降解PAHs的细菌群落的协同作用，尚未得到充分研究。

在这项研究中，我们系统地探讨了（1）GRSP是否影响受污染土壤中PAHs的消散，以及（2）GRSP如何通过改变SOM组成、微生物群落结构和分解代谢基因的丰度来影响PAHs的命运和转化。通过整合化学和微生物学视角，这项工作加深了我们对GRSP生态功能的理解，并为提高土壤自我净化能力提供了新的见解，从而减轻相关的生态和健康风险。

实验部分

测试土壤和GRSP

样品土壤（0-20厘米）采集自江苏省南京市郊区的农田。该土壤属于粉壤土，粒径分布为14.5%的沙粒、51.9%的粉粒和33.6%的粘粒。其有机碳含量为10.02克/千克，pH值为7.25。使用高效液相色谱法（HPLC）进行荧光检测时未检测到背景PAHs，该方法检测限为5微克/千克。

经过风干和筛分后，样品土壤...

GRSP对土壤中PAHs浓度的影响

图1显示了在GRSP处理下土壤中PHE和PYR浓度的时间变化。在70天的培养期间，PHE和PYR的总浓度分别从169.95毫克/千克和114.90毫克/千克显著降低到1.02毫克/千克和9.61毫克/千克，去除率分别为99.40%和91.64%。GRSP处理过的土壤表现出更强的PAHs消散能力。GRSP的应用使PHE和PYR的残留量分别减少了23.0%–33.7%和21.1%–36.5%

GRSP增强土壤中PAHs的消散

PAHs对SOM和矿物质的强吸附亲和性限制了它们的生物可利用性，阻碍了微生物的降解（Riding等人，2013年）。早期研究表明，天然存在的有机物质，特别是植物根系分泌的物质，可能增加PAHs对微生物的可利用性，并通过多种代谢过程加速其降解（Lu等人，2019年；Liao等人，2021年）。然而，关于GRSP这种主要分泌物的影响的研究还较为有限

结论

在这项研究中，我们系统评估了AMF的主要分泌物GRSP对受污染土壤中PAHs消散的影响。研究结果表明，GRSP通过改变SOM的组成和本土微生物群落的活性，增强了PAHs的自然衰减能力。具体而言，GRSP（尤其是EE-GRSP）促进了PAHs的自然衰减过程，促进了土壤中PAHs成分的转化和分解。

作者贡献声明

Xian Zhou：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，实验设计。Pengfei Li：方法学研究，实验设计。Yin Cao：数据可视化，软件处理。Lei Tang：实验设计，数据分析，数据管理。JunChao Ma：数据可视化，软件处理。Jian Wang：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，资金申请。Wanting Ling：撰写 – 审稿与编辑，资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究的资金支持来自以下项目：2023YFC3708100（国家重点研发计划）、42377011（国家自然科学基金）、江苏省优秀博士后人才资助计划（2025ZB757）以及KJYQ2025038（康奈尔大学基础研究基金）。